Формирование изображения на экране осциллографа

Рассмотрим теперь взаимодействие узлов осциллографа при подаче на его вход исследуемого напряжения U. Пусть исследуемое переменное напряжение U_Y (например, напряжение осветительной сети с частотой 50 Гц) подается на вход Y к вертикально отклоняющим пластинам трубки. Оно может быть подведено к этим пластинам непосредственно или через усилитель вертикального отклонения луча. Усилителями пользуются в тех случаях, когда исследуемое напряжение мало и оно не обеспечивает необходимого отклонения луча (светящегося пятна) на экране трубки. При достаточной величине исследуемого напряжения его подводят непосредственно к отклоняющим пластинам. Если при этом к горизонтально отклоняющим пластинам (X - пластинам) напряжение не подведено, то световое пятно за один период колебания от центра экрана отклонится сначала вверх на величину, соответствующую амплитуде U₀, а затем пятно начнет двигаться обратно, пройдя через центр экрана, дойдет до нижней точки и снова возвратится к центру. Поскольку частота колебаний рассматриваемого напряжения равна 50 Гц, то за одну секунду световое пятно совершит 50 полных движений и благодаря инерции светового восприятия изобразится на экране в виде сплошной вертикальной линии (рис. 36.2, а).

Длина этой линии в определенном масштабе, зависящем от чувствительности трубки, равна удвоенной амплитуде приложенного переменного напряжения. Очевидно, что аналогичная ситуация будет иметь место, если переменное напряжение подвести только к горизонтально отклоняющим пластинам X, при этом будет наблюдаться горизонтальная линия (рис. 36.2, б). Если одновременно к пластинам Y и X подвести два переменных напряжения одной и той же амплитуды, частоты и фазы, то перемещение луча будет вызвано одновременным воздействием двух сил, направленных в двух взаимно

Рис. 36.2

перпендикулярных направлениях. Таким образом, в каждый момент времени луч находится в точке экрана, соответствующей векторной сумме двух напряжений U_X и U_Y. В итоге, как это видно из рис. 36.2, в, световое пятно будет двигаться по прямой линии под углом 45⁰ к осям X и Y. Угол наклона зависит от соотношения амплитуд U_X и U_Y. Если же при равных амплитудах и частотах изменять фазовый сдвиг φ между U_X и U_Y, то на экране сформируется эллипс, вырождающийся в прямую линию при φ = 0, π, а при φ = π /2 - в окружность (рис. 36.2, г, д). При неравных но кратных между собой частотах напряжений U_X и U_Y на экране луч описывает более сложные фигуры – так называемые фигуры Лиссажу. Например, при соотношении частот 1: 2 и различных фазовых соотношения наблюдается ряд фигур, изображенных на рис. 36.2, е. Фигура Лиссажу неподвижна лишь при строго кратных соотношениях частот F_X и F_Y, в противном случае фигура начинает совершать периодическое движение с частотой, равной разности частот / F_X - F_Y/ = Δ F. Например, при Δ F =0, 1 Гц, полный период движения фигуры составляет 10 с, что легко может быть определено визуально и даже измерено секундомером. Таким образом, с помощью фигур Лиссажу, имея в своем распоряжении источник образцовой (эталонной) частоты, можно с высокой степенью точности измерять неизвестные частоты и оценивать их стабильность.

Рассмотрим теперь, каким образом на экране осциллографа можно наблюдать саму форму кривой изменения исследуемого напряжения, т.е. получить на экране график зависимости исследуемой периодической функции от времени. При этом очевидно, что ось ординат получается непосредственно, если используемое напряжение U_Y приложить к вертикально отклоняющим пластинам Y.

Для обеспеченияже временного масштаба, т.е. развертки по оси X, необходимо отдельно сформировать такое напряжение, которое бы вызвало движение луча по экрану в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Такое движение может быть обеспечено линейно-растущим напряжением (рис. 36.3, а, участок ОА). При этом луч равномерно движется по экрану от его левого края (исходное напряжение в точке О меньше нулевого уровня, соответствующего положению луча в центре экрана) до правого (напряжение в точке А), после чего должен быть возвращен по возможности быстро в исходное положение, т.е. напряжение должно быть скачком уменьшено до исходного уровня U₀ (участок АО ^', рис. 36.3, а). Участок ОА называется прямым ходом развертки, а скачкообразное уменьшение – участок АО ^' – обратным ходом развертки, так как луч возвращается в исходное состояние. Будем полагать, что начало прямого хода развертки совпадает с нулевой точкой нашего исследуемого синусоидального напряжения (рис. 36.3, б).

Рис.36.3

Тогда при удачном выборе длительности прямого хода развертки к моменту окончания ее обратного хода луч может попасть точно в ту же точку 0, с которой началось его первое движение при прямом ходе развертки. В этом случае при периодическом повторении развертки луч проходит все время по своему следу, тем самым формируя на экране неподвижное изображение одного периода синусоиды (рис. 36.3, в). Правда, небольшой ее отрезок в конце (участок АО ^', рис. 36.3, в) попадает на обратный ход развертки, что несколько нарушает полную картину – на экране прочерчивается линия АО, соответствующая обратному ходу развертки. Однако в схеме осциллографа обычно предусмотрено устройство, вырабатывающее на время обратного хода отрицательное напряжение (импульсы отрицательной полярности на рис. 36.3, г), запирающие электронно-лучевую трубку, так что в эти моменты времени электронный луч отсутствует, и линия обратного хода не высвечивается.

Следовательно, период развертывающего напряжения (U_Р) должен быть выбран таким, чтобы за это время уложился целый период или несколько периодов N исследуемого напряжения U_Y, т.е. частота U_Y должна быть кратна частоте напряжения развертки. Если N не целое число, то каждому началу развертки соответствует другая фаза исследуемого напряжения и, следовательно, изображение перемещается в ту или другую сторону по экрану. Это перемещение будет тем медленнее, чем ближе N к целому числу. При N < 1 на экране видна лишь часть периода исследуемого напряжения. Напряжение развертки, так называемое пилообразное напряжение, формируется в специальном блоке осциллографа – генераторе развертки и через переключатели подается на усилитель горизонтального отклонения. С усилителя снимается напряжение пилообразной формы такой амплитуды, чтобы обеспечить полное отклонение луча от одного края экрана до другого. Амплитуда пилообразного напряжения регулируется потенциометром на передней панели с надписью “ усиление X “.

Следует отметить, что вследствие неизбежных нестабильностей частоты как генератора развертки, так и исследуемого сигнала практически бывает трудно добиться стабильной картины на экране осциллографа при указанных выше условиях. Поэтому в осциллографе, как правило, применяется принудительная синхронизация генератора развертки. Для этой цели служит переключатель синхронизации. При его включении к генератору развертки подается напряжение исследуемого сигнала, под воздействием которого пилообразное напряжение (U_С) вырабатывается синхронно с исследуемым, даже если их частоты развертки немного не совпадают, например, вследствие неточной установки частоты развертки или ее нестабильности.

Если исследуемое напряжение синхронизовано напряжением питающей сети 50 Гц или напряжением другой частоты от какого-либо внешнего генератора, то возможна синхронизация частоты развертки генератора от питающей сети или от внешнего генератора. Таким образом, можно подбирать наиболее выгодный по устойчивости источник синхронизации.

Питание ламп усилителей и генератора развертки, а также электронно-лучевой трубки осуществляется от выпрямителей, составляющих блок питания осциллографа.